На пути стоит то, что типичный способ, которым ученые измеряют спин электронов - важнейшее свойство, которое придает всему в физической вселенной свою структуру, - обычно не работает в двумерных материалах. Это невероятно затрудняет полное понимание материалов и продвижение вперед технологических достижений, основанных на них. Но команда ученых во главе с исследователями из Университета Брауна считает, что теперь у них есть способ обойти эту давнюю проблему. Они описывают свое решение в новом исследовании, опубликованном в Физика природы.

В исследовании команда, в которую также входят ученые из Центра интегрированных нанотехнологий в Национальной лаборатории Сандии и Университета Инсбрука, описывает то, что, по их мнению, является первым измерением, показывающим прямое взаимодействие между электронами, вращающимися в двумерном материале, и фотонами, исходящими от микроволнового излучения. Поглощение микроволновых фотонов электронами, называемое связыванием, создает новую экспериментальную технику для непосредственного изучения свойств того, как электроны вращаются в этих двумерных квантовых материалах, которая, по мнению исследователей, может послужить основой для разработки вычислительных и коммуникационных технологий на основе этих материалов.

"Спиновая структура - самая важная часть квантового явления, но у нас никогда не было возможности напрямую исследовать ее в этих двумерных материалах", - сказал Цзя Ли, доцент физики в Брауне и старший автор исследования. "Эта проблема мешала нам теоретически изучать вращение в этом увлекательном материале в течение последних двух десятилетий. Теперь мы можем использовать этот метод для изучения множества различных систем, которые мы не могли изучать раньше".

Исследователи провели измерения на относительно новом двумерном материале под названием "скрученный под магическим углом" двухслойный графен. Этот материал на основе графена создается, когда два листа ультратонких слоев углерода укладываются друг на друга и скручиваются под правильным углом, превращая новую двухслойную структуру в сверхпроводник, который позволяет электричеству течь без сопротивления или потерь энергии. Только что обнаруженный в 2018 году, исследователи сосредоточились на этом материале из-за его потенциала и тайны, окружающей его.

"На многие важные вопросы, которые были поставлены в 2018 году, еще предстоит ответить", - сказала Эрин Мориссетт, аспирантка лаборатории Ли в Брауне, которая руководила работой.

Физики обычно используют ядерный магнитный резонанс или ЯМР для измерения спина электронов. Они делают это, возбуждая ядерно-магнитные свойства материала образца с помощью микроволнового излучения, а затем считывая различные сигнатуры, вызываемые этим излучением, для измерения спина.

Проблема с 2D-материалами заключается в том, что магнитная сигнатура электронов в ответ на микроволновое возбуждение слишком мала для обнаружения. Исследовательская группа решила импровизировать. Вместо непосредственного определения намагниченности электронов они измерили едва заметные изменения электронного сопротивления, которые были вызваны изменениями намагниченности от излучения, используя устройство, изготовленное в Институте молекулярных и наноразмерных инноваций в Брауне. Эти небольшие изменения в протекании электронных токов позволили исследователям использовать устройство для обнаружения того, что электроны поглощают фотографии из микроволнового излучения.

Исследователи смогли получить новую информацию, полученную в ходе экспериментов. Команда заметила, например, что взаимодействия между фотонами и электронами заставляли электроны в определенных участках системы вести себя так, как они вели бы себя в антиферромагнитной системе - это означает, что магнетизм некоторых атомов был нейтрализован набором магнитных атомов, которые выровнены в обратном направлении.

Новый метод изучения вращения в двумерных материалах и текущие результаты не будут применимы к современным технологиям, но исследовательская группа видит потенциальные применения, к которым этот метод может привести в будущем. Они планируют продолжать применять свой метод к скрученному двухслойному графену, но также распространить его на другие двумерные материалы.

"Это действительно разнообразный набор инструментов, который мы можем использовать для доступа к важной части электронного порядка в этих сильно коррелированных системах и в целом для понимания того, как электроны могут вести себя в двумерных материалах", - сказал Мориссетт.

Эксперимент был проведен дистанционно в 2021 году в Центре интегрированных нанотехнологий в Нью-Мексико. Матиас С. Шерер из Университета Инсбрука оказал теоретическую поддержку в моделировании и понимании результата. Работа финансировалась Национальным научным фондом, Министерством обороны США и научным управлением Министерства энергетики США.